JP3324367B2

JP3324367B2 - ３次元入力カメラ

Info

Publication number: JP3324367B2
Application number: JP29992295A
Authority: JP
Inventors: 暁矢橋; 史也八木; 悟広瀬
Original assignee: ミノルタ株式会社
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1995-11-17
Publication date: 2002-09-17
Anticipated expiration: 2015-11-17
Also published as: JPH09145320A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体にスリット光
又はスポット光を照射して物体形状を非接触で計測して
データを入力するための３次元入力カメラに関する。

【０００２】

【従来の技術】レンジファインダと呼称される非接触型
の３次元入力カメラは、接触型に比べて高速の計測が可
能であることから、ＣＧシステムやＣＡＤシステムへの
データ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利用
されている。

【０００３】レンジファインダに好適な計測方法として
スリット光投影法（光切断法ともいう）が知られてい
る。この方法は、物体を光学的に走査して３次元画像
（距離画像）を得る方法であり、特定の検出光を照射し
て物体を撮影する能動的計測方法の一種である。３次元
画像は、物体上の複数の部位の３次元位置を示す画素の
集合である。スリット光投影法では、検出光として断面
が直線状のスリット光が用いられる。

【０００４】図２０はスリット光投影法の概要を示す
図、図２１はスリット光投影法による計測の原理を説明
するための図である。計測対象の物体Ｑに断面が細い帯
状のスリット光Ｕを照射し、その反射光を例えば２次元
イメージセンサの撮像面Ｓ２に入射させる〔図２０
（ａ）〕。物体Ｑの照射部分が平坦であれば、撮影像
（スリット画像）は直線になる〔図２０（ｂ）〕。照射
部分に凹凸があれば、直線が曲がったり階段状になった
りする〔図２０（ｃ）〕。つまり、計測装置と物体Ｑと
の距離の大小が撮像面Ｓ２における反射光の入射位置に
反映する〔図２０（ｄ）〕。スリット光Ｕをその幅方向
に偏向することにより、受光側から見える範囲の物体表
面を走査して３次元位置をサンプリングすることができ
る。サンプリング点数はイメージセンサの画素数に依存
する。

【０００５】図２１において、投光の起点Ａと受光系の
レンズの主点Ｏとを結ぶ基線ＡＯが受光軸と垂直になる
ように、投光系と受光系とが配置されている。受光軸は
撮像面Ｓ２に対して垂直である。なお、レンズの主点と
は、有限遠の被写体の像が撮像面Ｓ２に結像したとき
の、いわゆる像距離（image distance）ｂだけ撮像面Ｓ
２から離れた受光軸上の点である。像距離ｂは、受光系
の焦点距離ｆとピント調整のためのレンズ繰出し量との
和である。

【０００６】主点Ｏを３次元直交座標系の原点とする。
受光軸がＺ軸、基線ＡＯがＹ軸、スリット光の長さ方向
がＸ軸である。スリット光Ｕが物体上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を照射したときの投光軸と投光基準面（受光軸と平
行な投光面）との角度をθａ、受光角をθｐとすると、
点Ｐの座標Ｚは（１）式で表される。

【０００７】基線長Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝Ｚｔａｎθａ＋Ｚｔａｎθｐ ∴ Ｚ＝Ｌ／（ｔａｎθａ＋ｔａｎθｐ） …（１）なお、受光角θｐとは、点Ｐと主点Ｏとを結ぶ直線と、
受光軸を含む平面（受光軸平面）とのなす角度である。

【０００８】撮像倍率β＝ｂ／Ｚであるので、撮像面
Ｓ２の中心と受光画素とのＸ方向の距離をｘｐ、Ｙ方向
の距離をｙｐとすると〔図２１（ａ）参照〕、点Ｐの座
標Ｘ，Ｙは、（２），（３）式で表される。

【０００９】Ｘ＝ｘｐ／β …（２）Ｙ＝ｙｐ／β …（３）角度θａはスリット光Ｕの偏向の角速度によって一義的
に決まる。受光角θｐはｔａｎθｐ＝ｂ／ｙｐの関係か
ら算出できる。つまり、撮像面Ｓ２上での位置（ｘｐ，
ｙｐ）を測定することにより、そのときの角度θａに基
づいて点Ｐの３次元位置を求めることができる。

【００１０】図２１（ｃ）のように受光系にズームレン
ズ群を設けた場合には、主点Ｏは後側主点Ｈ’となる。
後側主点Ｈ’と前側主点Ｈとの距離をＭとすると、点Ｐ
の座標Ｚは（１Ｂ）式で表される。

【００１１】Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝Ｚｔａｎθａ＋（Ｚ−Ｍ）ｔａｎθｐ ∴ Ｚ＝（Ｌ＋Ｍｔａｎθｐ）／（ｔａｎθａ＋ｔａｎθｐ） …（１Ｂ）以上の原理のスリット光投影法による計測において、例
えばＣＣＤセンサのように撮像面Ｓ２が有限個の画素か
らなる撮像手段を用いる場合には、計測の分解能が撮像
手段の画素ピッチに依存する。ただし、撮像面Ｓ２上で
のスリット光ＵのＹ方向（走査方向）の幅が複数画素分
となるようにスリット光Ｕを設定することにより、分解
能を高めることができる。

【００１２】従来において、投光系を構成する投光装置
と受光系を構成する装置とは、互いに位置関係が固定さ
れており、それらの光軸又は中心軸線や走査方向を調整
する構造とはなっていない（特開平７−１７４５３６
号）。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】したがって、従来の３
次元入力カメラでは、投光装置と受光装置の互いの光
軸、中心軸線、又は走査方向の間にねじれが生じていた
り、それらが同一平面上になかったりし、互いの位置関
係に誤差を有している。ズームレンズを用いない３次元
入力カメラでは、それらの誤差があっても、撮影によっ
て得られる補正データによる演算に基づいてそれらの誤
差を比較的簡単に補正することができた。

【００１４】しかし、３次元入力カメラにズームレンズ
を装備した場合には、ズームレンズの操作量又は移動量
に応じて補正データが相違するため、補正データの量又
はパラメータの個数が非常に多くなり、誤差の補正が極
めて複雑となって簡単な演算では対応が不可能であると
ともに、演算処理に多くの時間を要する。そのため、入
力したデータに多くの誤差が含まれることとなり、正確
な計測ができない。

【００１５】請求項１の発明は、上述の問題に鑑みてな
されたもので、投光装置と受光装置との間の位置関係の
誤差をなくすことを可能とし、ズームレンズを装備した
場合でも少ない誤差で正確に計測することのできる３次
元入力カメラを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る３
次元入力カメラは、検出光を照射して物体を光学的に走
査するための投光装置と、前記投光装置とは所定の間隔
をおいて設けられ前記物体で反射した前記検出光を受光
する受光装置とを有してなる３次元入力カメラであっ
て、前記投光装置と受光装置とが、前記受光装置の光軸
に沿う方向の第１回転軸、及び前記第１回転軸に垂直な
方向の第２回転軸をそれぞれ中心として、互いに相対的
に回転調整が可能に取り付けられてなる。

【００１７】第２回転軸の調整によって、第１回転軸と
受光軸とが平行となるように調整され、第１回転軸の調
整によって、スリット光の走査方向（偏向方向）が第２
回転軸の方向と一致するように調整される。これらの調
整によって、投光装置と受光装置との位置関係の誤差が
なくなり、その補正を行わなくても精度のよい計測を行
うことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る計測システム
１の構成図である。計測システム１は、スリット光投影
法によって立体計測を行う３次元カメラ（レンジファイ
ンダ）２と、３次元カメラ２の出力データを処理するホ
スト３とから構成されている。

【００１９】３次元カメラ２は、物体Ｑ上の複数のサン
プリング点の３次元位置を特定する計測データ（スリッ
ト画像データ）とともに、物体Ｑのカラー情報を示す２
次元画像及びキャリブレーションに必要なデータを出力
する。三角測量法を用いてサンプリング点の座標を求め
る演算処理はホスト３が担う。

【００２０】ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３
ｂ、キーボード３ｃ、及びマウス３ｄなどから構成され
たコンピュータシステムである。ＣＰＵ３ａには計測デ
ータ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。ホ
スト３と３次元カメラ２との間では、オンライン及び可
搬型の記録メディア４によるオフラインの両方の形態の
データ受渡しが可能である。記録メディア４としては、
光磁気ディスク（ＭＯ）、ミニディスク（ＭＤ）、メモ
リカードなどがある。

【００２１】図２は３次元カメラ２の外観を示す図であ
る。図２は３次元カメラ２の外観を示す図である。ハウ
ジング２０の前面に投光窓２０ａ及び受光窓２０ｂが設
けられている。投光窓２０ａは受光窓２０ｂに対して上
側に位置する。内部の光学ユニットＯＵが射出するスリ
ット光（所定幅ｗの帯状のレーザビーム）Ｕは、投光窓
２０ａを通って計測対象の物体（被写体）に向かう。ス
リット光Ｕの長さ方向Ｍ１の放射角度φは固定である。
物体の表面で反射したスリット光Ｕの一部が受光窓２０
ｂを通って光学ユニットＯＵに入射する。なお、光学ユ
ニットＯＵは、投光軸と受光軸との相対関係を適正化す
るための２軸調整機構を備えている。これについては後
で詳細に説明する。

【００２２】ハウジング２０の上面には、ズーミングボ
タン２５ａ，２５ｂ、手動フォーカシングボタン２６
ａ，２６ｂ、及びシャッタボタン２７が設けられてい
る。図２（ｂ）のように、ハウジング２０の背面には、
液晶ディスプレイ２１、カーソルボタン２２、セレクト
ボタン２３、キャンセルボタン２４、アナログ出力端子
３１，３２、デジタル出力端子３３、及び記録メディア
４の着脱口３０ａが設けられている。

【００２３】液晶ディスプレイ２１（ＬＣＤ）は、操作
画面の表示手段及び電子ファインダとして用いられる。
撮影者は背面の各ボタン２１〜２４によって撮影モード
の設定を行うことができる。アナログ出力端子３１から
は計測データが出力され、アナログ出力端子３１からは
２次元画像信号が例えばＮＴＳＣ形式で出力される。デ
ジタル出力端子３３は例えばＳＣＳＩ端子である。

【００２４】図３は３次元カメラ２の機能構成を示すブ
ロック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示
し、破線矢印は光の流れを示している。３次元カメラ２
は、上述の光学ユニットＯＵを構成する投光側及び受光
側の２つの光学系４０，５０を有している。光学系４０
において、半導体レーザ（ＬＤ）４１が射出する波長６
７０ｎｍのレーザビームは、投光レンズ系４２を通過す
ることによってスリット光Ｕとなり、ガルバノミラー
（走査手段）４３によって偏向される。半導体レーザ４
１のドライバ４４、投光レンズ系４２の駆動系４５、及
びガルバノミラー４３の駆動系４６は、システムコント
ローラ６１によって制御される。

【００２５】光学系５０において、ズームユニット５１
によって集光された光はビームスプリッタ５２によって
分光される。半導体レーザ４１の発振波長帯域の光は、
計測用のセンサ５３に入射する。可視帯域の光は、モニ
タ用のカラーセンサ５４に入射する。センサ５３及びカ
ラーセンサ５４は、どちらもＣＣＤエリアセンサであ
る。ズームユニット５１は内焦型であり、入射光の一部
がオートフォーカシング（ＡＦ）に利用される。ＡＦ機
能は、ＡＦセンサ５７とレンズコントローラ５８とフォ
ーカシング駆動系５９によって実現される。ズーミング
駆動系６０は電動ズーミングのために設けられている。

【００２６】センサ５３による撮像情報は、ドライバ５
５からのクロックに同期して出力処理回路６２へ転送さ
れる。出力処理回路６２によってセンサ５３の各画素毎
に対応する計測データが生成され、メモリ６３，６４に
格納される。その後、オペレータがデータ出力を指示す
ると、計測データは、ＳＣＳＩコントローラ６６又はＮ
ＴＳＣ変換回路６５によって所定形式でオンライン出力
され、又は記録メディア４に格納される。計測データの
オンライン出力には、アナログ出力端子３１又はディジ
タル出力端子３３が用いられる。カラーセンサ５４によ
る撮像情報は、ドライバ５６からのクロックに同期して
カラー処理回路６７へ転送される。カラー処理を受けた
撮像情報は、ＮＴＳＣ変換回路７０及びアナログ出力端
子３２を経てオンライン出力され、又はディジタル画像
生成部６８で量子化されてカラー画像メモリ６９に格納
される。その後、カラー画像データがカラー画像メモリ
６９からＳＣＳＩコントローラ６６へ転送され、ディジ
タル出力端子３３からオンライン出力され、又は計測デ
ータと対応づけて記録メディア４に格納される。なお、
カラー画像は、センサ５３による距離画像と同一の画角
の像であり、ホスト３側におけるアプリケーション処理
に際して参考情報として利用される。カラー情報を利用
する処理としては、例えばカメラ視点の異なる複数組の
計測データを組み合わせて３次元形状モデルを生成する
処理、３次元形状モデルの不要の頂点を間引く処理など
がある。システムコントローラ６１は、キャラクタジェ
ネレータ７１に対して、ＬＣＤ２１の画面上に適切な文
字や記号を表示するための指示を与える。

【００２７】図４は投光レンズ系４２の構成を示す模式
図である。図４（ａ）は正面図であり、図４（ｂ）は側
面図である。投光レンズ系４２は、コリメータレンズ４
２１、バリエータレンズ４２２、及びエキスパンダレン
ズ４２３の３つのレンズから構成されている。半導体レ
ーザ４１が射出したレーザビームに対して、次の順序で
適切なスリット光Ｕを得るための光学的処理が行われ
る。まず、コリメータレンズ４２１によってビームが平
行化される。次にバリエータレンズ４２２によってレー
ザビームのビーム径が調整される。最後にエキスパンダ
レンズ４２３によってビームがスリット長さ方向Ｍ１に
拡げられる。

【００２８】バリエータレンズ４２２は、撮影距離及び
撮影の画角に係わらず、センサ５３に３以上の複数画素
分の幅のスリット光Ｕを入射させるために設けられてい
る。駆動系４５は、システムコントローラ６１の指示に
従って、センサ５３上でのスリット光Ｕの幅ｗを一定に
保つようにバリエータレンズ４２２を移動させる。バリ
エータレンズ４２２と受光側のズームユニット５１とは
連動する。

【００２９】ガルバノミラー４３による偏向の以前にス
リット長を拡げることにより、偏向の後で行う場合に比
べてスリット光Ｕの歪みを低減することができる。エキ
スパンダレンズ４２３を投光レンズ系４２の最終段に配
置することにより、すなわちガルバノミラー４３に近づ
けることにより、ガルバノミラー４３を小型化すること
ができる。

【００３０】図５は受光のためのズームユニット５１の
模式図である。ズームユニット５１は、前側結像部５１
５、バリエータ部５１４、コンペンセータ部５１３、フ
ォーカシング部５１２、後側結像部５１１、及び入射光
の一部をＡＦセンサ５７に導くビームスプリッタ５１６
から構成されている。前側結像部５１５及び後側結像部
５１１は、光軸に対して固定である。

【００３１】フォーカシング部５１２の移動はフォーカ
シング駆動系５９が担い、バリエータ部５１４の移動は
ズーミング駆動系６０が担う。フォーカシング駆動系５
９は、フォーカシング部５１２の移動距離（繰り出し
量）を指し示すフォーカシングエンコーダ５９Ａを備え
ている。ズーミング駆動系６０は、バリエータ部５１４
の移動距離（ズーム刻み値）を指し示すズーミングエン
コーダ６０Ａを備えている。

【００３２】図６はビームスプリッタ５２の模式図、図
７は計測用のセンサ５３の受光波長を示すグラフ、図８
はモニタ用のカラーセンサ５４の受光波長を示すグラフ
である。

【００３３】ビームスプリッタ５２は、色分解膜（ダイ
クロックミラー）５２１、色分解膜５２１を挟む２つの
プリズム５２２，５２３、プリズム５２２の射出面５２
２ｂに設けられた赤外線カットフィルタ５２４、センサ
５３の前面側に設けられた可視カットフィルタ５２５、
プリズム５２３の射出面５２３ｂに設けられた赤外線カ
ットフィルタ５２６、及びローパスフィルタ５２７，５
２８から構成されている。

【００３４】ズームユニット５１から入射した光ＵＣ
は、ローパスフィルタ５２７、プリズム５２２を通って
色分解膜５２１に入射する。半導体レーザ４１の発振帯
域の光Ｕ０は色分解膜５２１で反射し、プリズム５２２
の入射面５２２ａで反射した後、射出面５２２ｂからセ
ンサ５３に向かって射出する。プリズム５２２から射出
した光Ｕ０の内、赤外線カットフィルタ５２４及び可視
カットフィルタ５２５を透過した光がセンサ５３によっ
て受光される。一方、色分解膜５２１を透過した光Ｃ０
は、プリズム５２３を通って射出面５２３ｂからカラー
センサ５４に向かって射出する。プリズム５２３から射
出した光Ｃ０の内、赤外線カットフィルタ５２６及びロ
ーパスフィルタ５２８を透過した光がカラーセンサ５４
によって受光される。

【００３５】図７において、破線で示されるように色分
解膜５２１は、スリット光の波長（λ：６７０ｎｍ）を
含む比較的に広範囲の波長帯域の光を反射する。つま
り、色分解膜５２１の波長選択性は、スリット光のみを
選択的にセンサ５３に入射させる上で不十分である。し
かし、ビームスプリッタ５２では、鎖線で示される特性
の赤外線カットフィルタ５２４と、実線で示される特性
の可視カットフィルタ５２５とが設けられているので、
最終的にセンサ５３に入射する光は、図７において斜線
で示される狭い範囲の波長の光である。これにより、環
境光の影響の小さい、すなわち光学的ＳＮ比が大きい計
測を実現することができる。

【００３６】一方、カラーセンサ５４には、図８に実線
で示される特性の赤外線カットフィルタ５２８によっ
て、破線で示される特性の色分解膜５２１を透過した赤
外帯域の光が遮断されるので、可視光のみが入射する。
これにより、モニタ画像の色再現性が高まる。

【００３７】なお、赤外線カットフィルタ５２４及び可
視カットフィルタ５２５の２個のフィルタを用いる代わ
りに、赤外線及び可視光を遮断する特性をもつ１個のフ
ィルタを用いてもよい。赤外線カットフィルタ５２４及
び可視カットフィルタ５２５の両方をプリズム５２２の
側に設けてもよいし、逆に両方のフィルタをセンサ５３
の側に設けてもよい。図６の例とは逆に、可視カットフ
ィルタ５２５をプリズム５２２の側に設け、赤外線カッ
トフィルタ５２４をセンサ５３の側に設けてもよい。

【００３８】次に、光学ユニットＯＵに備えられた２軸
調整機構について説明する。図９は光学ユニットＯＵの
２軸調整機構の概略を説明するための斜視図、図１０は
図９に示す光学ユニットＯＵの上側部分を矢印ＫＡ方向
から見た正面図、図１１は図９に示す光学ユニットＯＵ
の上側部分を矢印ＫＢ方向から見た右側面図、図１２は
図９に示す光学ユニットＯＵを矢印ＫＣ方向から見た下
面図、図１３は光学ユニットＯＵの２軸調整機構の調整
方法を説明するための図である。

【００３９】図９に示すように、光学ユニットＯＵは、
投光装置である光学系４０と受光装置である光学系５０
とが、ブラケット２１１，２１２に取り付けられて構成
されている。これら２つのブラケット２１１，２１２
は、Ｙ方向軸である第２回転軸ＡＸ２を中心に互いに回
転可能に連結されている。光学系４０は、ブラケット２
１１に対して、Ｚ方向軸である第１回転軸ＡＸ１を中心
に回転可能に取り付けられている。光学系５０はブラケ
ット２１２に固定されている。第１回転軸ＡＸ１は受光
光学系５０の受光軸ＡＸ３と平行となるように調整され
る。

【００４０】図１０乃至図１２に示すように、各ブラケ
ット２１１，２１２は、その側面視が略Ｌ字形を呈して
おり、それぞれ水平板部２１１ａ，２１２ａの外面が互
いに接触した状態で回転可能である。すなわち、水平板
部２１２ａに設けられた穴２１５にはカラー２１６が回
転可能に嵌め込まれ、そのカラー２１６はボルト２１７
によって水平板部２１１ａに固定されている。ボルト２
１７は、頭部にネジ穴が設けられており、図示しない有
底筒状のキャップが頭部に被せられた後、そのキャップ
の中央に設けられた穴を貫通して頭部のネジ穴に螺合す
るボルトによって固定され、これによってボルト２１７
の頭部が覆われている。なお、ボルト２１７の頭部には
回転係合用の溝が設けられている。

【００４１】水平板部２１２ａの突出端部２１８に設け
られたネジ穴には、回転角度位置を調整するための調整
ボルト２１９が螺合している。調整ボルト２１９の先端
部は、水平板部２１１ａにボルト２２１により取り付け
られたカラー２２２の周面に当接する。そのボルト２２
１と水平板部２１２ａに取り付けられたボルト２２３と
の間には引張りバネ２２４が装着されており、これによ
って、水平板部２１１ａ，２１２ａの間において、調整
ボルト２１９の先端部がカラー２２２に当接する方向に
互いに付勢されている。したがって、調整ボルト２１９
を回転させてその軸方向位置を調整することにより、第
２回転軸ＡＸ２を中心としてブラケット２１１とブラケ
ット２１２との相対的な回転角度位置が調整される。調
整ボルト２１９の調整後は、調整ボルト２１９をロック
ナット２２０で固定するとともに、水平板部２１２ａに
設けられた３つの長穴２２５を貫通して水平板部２１１
ａのネジ穴に螺合する３つのボルト２２６を締めること
によって、両水平板部２１１ａ，２１２ａ間を固定す
る。

【００４２】光学系４０のハウジングの背面部には軸部
材２３１が取り付けられており、この軸部材２３１が、
ブラケット２１１の垂直板部に第１回転軸ＡＸ１を中心
に設けられた軸穴２３２に回転可能に嵌め込まれてい
る。第１回転軸ＡＸ１を中心とする光学系４０の回転角
度位置を調整した後、光学系４０のハウジングに設けら
れた穴を貫通してブラケット２１１に設けられたネジ穴
に螺合する図示しない複数のボルトを締めることによっ
て、光学系４０がブラケット２１１に固定される。ブラ
ケット２１２には取付け板２１３がボルトで固定されて
おり、取付け板２１３が光学ユニットＯＵのケーシング
に取り付けられている。

【００４３】なお、投光光学系４０における投光の起点
Ａと受光光学系５０のレンズの主点Ｏ（後側主点Ｈ’）
とを結ぶ基線ＡＯは、受光軸ＡＸ３と垂直である。撮像
面Ｓ２は屈折した受光軸ＡＸ３に対して垂直である。

【００４４】次に、第１回転軸ＡＸ１及び第２回転軸Ａ
Ｘ２の調整方法について説明する。図１３（Ａ）に示す
スクリーンＳＣＲは、受光軸ＡＸ３上の前方において受
光軸ＡＸ３と垂直に配置されている。まず、投光光学系
４０からスクリーンＳＣＲ上に投影されたスリット光Ｕ
について、スリット光Ｕを走査したときに、走査の前後
におけるスリット光Ｕの左右の移動距離ＡＬ１，ＡＬ２
が互いに同一となるように、第２回転軸ＡＸ２を調整す
る。次に、図１３（Ｂ）に示す撮像面Ｓ２上に受光され
るスリット光Ｕについて、その左右の位置ＢＬ１，ＢＬ
２が互いに同一となるように、つまりスリット光Ｕが撮
像面Ｓ２のＸ軸と平行になるように、第１回転軸ＡＸ１
を調整する。これらの調整を何回か繰り返す。

【００４５】これらの調整によって、第１回転軸ＡＸ１
が受光軸ＡＸ３と平行となり、スリット光Ｕの走査方向
（偏向方向）が第２回転軸ＡＸ２の方向と一致する。し
たがって、光学系４０と光学系５０との位置関係の誤差
がなくなり、その補正を行わなくても精度のよい計測を
行うことができる。また、より良い精度を得るために補
正を行う場合でも、ズームユニット５１においてズーミ
ングを行ってもその補正値を変更する必要がない。した
がって、補正のための演算処理が不要又は最小限でよ
く、その処理時間が極めて短くなる。

【００４６】図１４は計測システム１における３次元位
置の算出の原理図である。同図では理解を容易にするた
め、図２０及び図２１と対応する要素には同一の符号を
付してある。

【００４７】センサ５３の撮像面Ｓ２上で複数画素分と
なる比較的に幅の広いスリット光Ｕを物体Ｑに照射す
る。具体的にはスリット光Ｕの幅を５画素分とする。ス
リット光Ｕは、サンプリング周期毎に撮像面Ｓ２上で１
画素ピッチｐｖだけ移動するように、図１４の上から下
に向かって偏向され、それによって物体Ｑが走査され
る。サンプリング周期毎にセンサ５３から１フレーム分
の光電変換情報が出力される。

【００４８】撮像面Ｓ２の１つの画素ｇに注目すると、
走査中に行うＮ回のサンプリングの内の５回のサンプリ
ングにおいて有効な受光データが得られる。これら５回
分の受光データに対する補間演算によって注目画素ｇが
にらむ範囲の物体表面ａｇをスリット光Ｕの光軸が通過
するタイミング（時間重心Ｎｐｅａｋ：注目画素ｇの受
光量が最大となる時刻）を求める。図１４（ｂ）の例で
は、ｎ回目とその１つ前の（ｎ−１）回目の間のタイミ
ングで受光量が最大である。求めたタイミングにおける
スリット光の照射方向と、注目画素に対するスリット光
の入射方向との関係に基づいて、物体Ｑの位置（座標）
を算出する。これにより、撮像面の画素ピッチｐｖで規
定される分解能より高い分解能の計測が可能となる。

【００４９】注目画素ｇの受光量は物体Ｑの反射率に依
存する。しかし、５回のサンプリングの各受光量の相対
比は受光の絶対量に係わらず一定である。つまり、物体
色の濃淡は計測精度に影響しない。

【００５０】本実施形態の計測システム１では、３次元
カメラ２がセンサ５３の画素ｇ毎に５回分の受光データ
を計測データとしてホスト３に出力し、ホスト３が計測
データに基づいて物体Ｑの座標を算出する。３次元カメ
ラ２の出力処理回路６２（図３参照）は、各画素ｇに対
応した計測データの生成を担う。

【００５１】図１５は出力処理回路６２のブロック図、
図１６はセンサ５３の読出し範囲を示す図である。出力
処理回路６２は、センサ５３の出力する各画素ｇの光電
変換信号を８ビットの受光データに変換するＡＤ変換部
６２０、直列接続された４つのフレームディレイメモリ
６２１〜６２４、有効な５回分の受光データを記憶する
ための５つのメモリバンク６２５Ａ〜Ｅ、受光データが
最大となるフレーム番号（サンプリング番号）ＦＮを記
憶するためのメモリバンク６２５Ｆ、コンパレータ６２
６、フレーム番号ＦＮを指し示すジェネレータ６２７、
及びメモリバンク６２５Ａ〜Ｆのアドレス指定などを行
う図示しないメモリ制御手段から構成されている。各メ
モリバンク６２５Ａ〜Ｅは、計測のサンプリング点数
（つまり、センサ５３の有効画素数）と同数の受光デー
タを記憶可能な容量をもつ。

【００５２】４つのフレームディレイメモリ６２１〜６
２４でデータ遅延を行うことにより、個々の画素ｇにつ
いて５フレーム分の受光データを同時にメモリバンク６
２５Ａ〜Ｅに格納することが可能になっている。なお、
センサ５３における１フレームの読出しは、撮像面Ｓ２
の全体ではなく、高速化を図るために図１６のように撮
像面Ｓ２の一部の有効受光領域（帯状画像）Ａｅのみを
対象に行われる。有効受光領域Ａｅはスリット光Ｕの偏
向に伴ってフレーム毎に１画素分だけシフトする。本実
施形態では、有効受光領域Ａｅのシフト方向の画素数は
３２に固定されている。ＣＣＤエリアセンサの撮影像の
一部のみを読み出す手法は、特開平７−１７４５３６号
公報に開示されている。

【００５３】ＡＤ変換部６２０は、１フレーム毎に３２
ライン分の受光データＤ６２０を画素ｇの配列順にシリ
アルに出力する。各フレームディレイメモリ６２１〜６
２４は、３１（＝３２−１）ライン分の容量をもつＦＩ
ＦＯである。

【００５４】ＡＤ変換部６２０から出力された注目画素
ｇの受光データＤ６２０は、２フレーム分だけ遅延され
た時点で、コンパレータ６２６によって、メモリバンク
６２５Ｃが記憶する注目画素ｇについての過去の受光デ
ータＤ６２０の最大値と比較される。遅延された受光デ
ータＤ６２０（フレームディレイメモリ６２２の出力）
が過去の最大値より大きい場合に、その時点のＡＤ変換
部６２０の出力及び各フレームディレイメモリ６２１〜
６２４の出力が、メモリバンク６２５Ａ〜Ｅにそれぞれ
格納され、メモリバンク６２５Ａ〜Ｅの記憶内容が書換
えられる。これと同時にメモリバンク６２５Ｆには、メ
モリバンク６２５Ｃに格納する受光データＤ６２０に対
応したフレーム番号ＦＮが格納される。

【００５５】すなわち、ｎ番目（ｎ＜Ｎ）のフレームで
注目画素ｇの受光量が最大になった場合には、メモリバ
ンク６２５Ａに（ｎ＋２）番目のフレームのデータが格
納され、メモリバンク６２５Ｂに（ｎ＋１）番目のフレ
ームのデータが格納され、メモリバンク６２５Ｃにｎ番
目のフレームのデータが格納され、メモリバンク６２５
Ｄに（ｎ−１）番目のフレームのデータが格納され、メ
モリバンク６２５Ｅに（ｎ−２）番目のフレームのデー
タが格納され、メモリバンク６２５Ｆにｎが格納され
る。

【００５６】次に、３次元カメラ２及びホスト３の動作
を計測の手順と合わせて説明する。以下では、計測のサ
ンプリング点数を２００×２３１とする。すなわち、撮
像面Ｓ２におけるスリット長さ方向の画素数は２３１で
あり、実質的なフレーム数Ｎも２００である。

【００５７】ユーザー（撮影者）は、ＬＣＤ２１が表示
するカラーモニタ像を見ながら、カメラ位置と向きとを
決め、画角を設定する。その際、必要に応じてズーミン
グ操作を行う。３次元カメラ２ではカラーセンサ５４に
対する絞り調整は行われず、電子シャッタ機能により露
出制御されたカラーモニタ像が表示される。これは、絞
りを開放状態とすることによってセンサ５３の入射光量
をできるだけ多くするためである。

【００５８】図１７は３次元カメラ２におけるデータの
流れを示す図、図１８はホスト３におけるデータの流れ
を示す図、図１９は光学系の各点と物体Ｑとの関係を示
す図である。

【００５９】ユーザーによる画角選択操作（ズーミン
グ）に応じて、ズームユニット５１のバリエータ部５１
４の移動が行われる。また、フォーカシング部５１２の
移動による手動又は自動のフォーカシングが行われる。
フォーカシングの過程でおおよその対物間距離ｄ₀が測
定される。

【００６０】このような受光系のレンズ駆動に呼応し
て、投光側のバリエータレンズ４２２の移動量が図示し
ない演算回路によって算出され、算出結果に基づいてバ
リエータレンズ４２２の移動制御が行われる。

【００６１】システムコントローラ６１は、レンズコン
トローラ５８を介して、フォーカシングエンコーダ５９
Ａの出力（繰り出し量Ｅｄ）及びズーミングエンコーダ
６０Ａの出力（ズーム刻み値ｆｐ）を読み込む。システ
ムコントローラ６１の内部において、歪曲収差テーブル
Ｔ１、主点位置テーブルＴ２、及び像距離テーブルＴ３
が参照され、繰り出し量Ｅｄ及びズーム刻み値ｆｐに対
応した撮影条件データがホスト２へ出力される。ここで
の撮影条件データは、歪曲収差パラメータ（レンズ歪み
補正係数ｄ１，ｄ２）、前側主点位置ＦＨ、及び像距離
ｂである。前側主点位置ＦＨは、ズームユニット５１の
前側端点Ｆと前側主点Ｈとの距離で表される。前側端点
Ｆは固定であるので、前側主点位置ＦＨにより前側主点
Ｈを特定することができる。

【００６２】システムコントローラ６１は、半導体レー
ザ４１の出力（レーザ強度）及びスリット光Ｕの偏向条
件（走査開始角、走査終了角、偏向角速度）を算定す
る。この算定方法を詳しく説明する。まず、おおよその
対物間距離ｄ₀に平面物体が存在するものとして、セン
サ５３の中央で反射光を受光するように投射角設定を行
う。以下で説明するレーザ強度の算定のためのパルス点
灯は、この設定された投射角で行う。

【００６３】次にレーザ強度を算定する。レーザ強度の
算定に際しては、人体を計測する場合があるので、安全
性に対する配慮が不可欠である。まず、最小強度ＬＤｍ
ｉｎでパルス点灯し、センサ５３の出力を取り込む。取
り込んだ信号〔Ｓｏｎ（ＬＤｍｉｎ）〕と適正レベルＳ
ｔｙｐとの比を算出し、仮のレーザ強度ＬＤ１を設定す
る。

【００６４】ＬＤ１＝ＬＤｍｉｎ×Ｓｔｙｐ／ＭＡＸ
〔Ｓｏｎ（ＬＤｍｉｎ）〕続いてレーザ強度ＬＤ１で再びパルス点灯し、センサ５
３の出力を取り込む。取り込んだ信号〔Ｓｏｎ（ＬＤ
１）〕が適正レベルＳｔｙｐ又はそれに近い値であれ
ば、ＬＤ１をレーザ強度ＬＤｓと決める。他の場合に
は、レーザ強度ＬＤ１とＭＡＸ〔Ｓｏｎ（ＬＤ１）〕と
を用いて仮のレーザ強度ＬＤ１を設定し、センサ５３の
出力と適正レベルＳｔｙｐとを比較する。センサ５３の
出力が許容範囲内の値となるまで、レーザ強度の仮設定
と適否の確認とを繰り返す。なお、センサ５３の出力の
取り込みは、撮像面Ｓ２の全面を対象に行う。これは、
ＡＦによる受動的な距離算出では、スリット光Ｕの受光
位置を高精度に推定することが難しいためである。セン
サ５３におけるＣＣＤの積分時間は１フィールド時間
（例えば１／６０秒）であり、実際の計測時における積
分時間より長い。このため、パルス点灯を行うことによ
り、計測時と等価なセンサ出力を得る。

【００６５】次に、投射角と、レーザ強度が決定したと
きのスリット光Ｕの受光位置から、三角測量により対物
間距離ｄを決定する。最後に、決定された対物間距離ｄ
に基づいて、偏向条件を算出する。偏向条件の算定に際
しては、対物間距離ｄの測距基準点である受光系の後側
主点Ｈ’と投光の起点ＡとのＺ方向（図２１参照）のオ
フセットｄｏｆｆを考慮する。また、走査方向の端部に
おいても中央部と同様の計測可能距離範囲ｄ’を確保す
るため、所定量（例えば８画素分）のオーバースキャン
を行うようにする。走査開始角ｔｈ１、走査終了角ｔｈ
２、偏向角速度ωは、次式で表される。

【００６６】ｔｈ１＝ｔａｎ^-1〔β×ｐｖ（ｎｐ／２＋
８）＋Ｌ）／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕×１８０／π ｔｈ２＝ｔａｎ^-1〔−β×ｐｖ（ｎｐ／２＋８）＋Ｌ）
／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕×１８０／π ω＝（ｔｈ１−ｔｈ２）／ｎｐ β：撮像倍率（＝ｄ／実効焦点距離ｆｒｅａｌ）ｐｖ：画素ピッチｎｐ：撮像面Ｓ２のＹ方向の有効画素数Ｌ：基線長このようにして算出された条件で次に本発光に移り、物
体Ｑの走査（スリット投影）が行われ、上述の出力処理
回路５２によって得られた１画素当たり５フレーム分の
計測データ（スリット画像データ）Ｄ６２がホスト２へ
送られる。同時に、偏向条件（偏向制御データ）及びセ
ンサ５３の仕様などを示す装置情報Ｄ１０も、ホスト３
へ送られる。表１は３次元カメラ２がホスト３へ送る主
なデータをまとめたものである。

【００６７】

【表１】

【００６８】図１８のように、ホスト３においては、ス
リット重心演算＃３１、歪曲収差の補正演算＃３２、カ
メラ視線方程式の演算＃３３、スリット面方程式の演算
＃３４、及び３次元位置演算＃３５が実行され、それに
よって２００×２３１個のサンプリング点の３次元位置
（座標Ｘ，Ｙ，Ｚ）が算定される。サンプリング点はカ
メラ視線（サンプリング点と後側主点Ｈ’とを結ぶ直
線）とスリット面（サンプリング点を照射するスリット
光Ｕの光軸面）との交点である。

【００６９】スリット光Ｕの時間重心Ｎｐｅａｋ（図１
４参照）は、各サンプリング時の受光データＤ（ｉ）を
用いて（３）式で与えられる。Ｎｐｅａｋ＝ｎ＋Δｎ …（３） Δｎ＝〔−２×Ｄ（ｎ−２）−Ｄ（ｎ−１）＋Ｄ（ｎ＋
１）＋２×Ｄ（ｎ＋２）〕／ΣＤ（ｉ）（ｉ＝ｎ−２，ｎ−１，ｎ，ｎ＋１，ｎ＋２）又は Δｎ＝［−２×〔Ｄ〔ｎ−２）−ｍｉｎＤ（ｉ）〕−
〔Ｄ（ｎ−１）−ｍｉｎＤ（ｉ）〕＋〔Ｄ（ｎ＋１）−
ｍｉｎＤ（ｉ）〕＋２×〔Ｄ（ｎ＋２）−ｍｉｎＤ
（ｉ）〕］／ΣＤ（ｉ）５つの受光データの内の最小のデータｍｉｎＤ（ｉ）を
差し引いて加重平均を求めることにより、環境光の影響
を軽減することができる。

【００７０】カメラ視線方程式は（４）式及び（５）式
である。（ｕ−ｕ０）＝（ｘｐ）＝（ｂ／ｐｕ）×〔Ｘ／（Ｚ−ＦＨ）〕 …（４）（ｖ−ｖ０）＝（ｙｐ）＝（ｂ／ｐｖ）×〔Ｙ／（Ｚ−ＦＨ）〕 …（５）ｂ：像距離ＦＨ：前側主点位置ｐｕ：撮像面における水平方向の画素ピッチｐｖ：撮像面における垂直方向の画素ピッチｕ：撮像面における水平方向の画素位置ｕ０：撮像面における水平方向の中心画素位置ｖ：撮像面における垂直方向の画素位置ｖ０：撮像面における垂直方向の中心画素位置スリット面方程式は（６）式である。

【００７１】

【数１】

【００７２】幾何収差は画角に依存する。歪はほぼ中心
画素を中心として対象に生じる。したがって、歪み量は
中心画素からの距離の関数で表される。ここでは、距離
の３次関数で近似する。２次の補正係数をｄ１、３次の
補正係数をｄ２とする。補正後の画素位置ｕ’，ｖ’は
（７）式及び（８）式で与えられる。

【００７３】ｕ’＝ｕ＋ｄ１×ｔ２²×（ｕ−ｕ０）／ｔ２＋ｄ２×ｔ２³×（ｕ−ｕ０）／ｔ２ …（７）ｖ’＝ｖ＋ｄ１×ｔ２²×（ｖ−ｖ０）／ｔ２＋ｄ２×ｔ２³×（ｖ−ｖ０）／ｔ２ …（８）ｔ２＝（ｔ１）^-2 ｔ１＝（ｕ−ｕ０）²＋（ｖ−ｖ０）² 上述の（４）式及び（５）式において、ｕに代えてｕ’
を代入し、ｖに代えてｖ’を代入することにより、歪曲
収差を考慮した３次元位置を求めることができる。な
お、キャリブレーションについては、電子情報通信学会
研究会資料ＰＲＵ91-113［カメラの位置決めのいらない
画像の幾何学的補正］小野寺・金谷、電子情報通信学会
論文誌Ｄ-II vol. J74-D-II No.9 pp.1227-1235,'91/9
［光学系の３次元モデルに基づくレンジファインダの高
精度キャリブレーション法］植芝・吉見・大島、などに
詳しい開示がある。

【００７４】上述の実施形態は、計測データＤ６２に基
づいて３次元位置を算出する演算をホスト３が担うもの
であるが、３次元カメラ２に３次元位置を算出する演算
機能を設けてもよい。３次元位置をルックアップテーブ
ル方式で算定することも可能である。受光側の光学系５
０において、ズームユニット５１に代えて交換レンズに
よって撮像倍率を変更してもよい。

【００７５】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、投光装置と受
光装置との間の位置関係の誤差をなくすことが可能とな
り、ズームレンズを装備した３次元入力カメラによって
少ない誤差で正確に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る計測システムの構成図である。

【図２】３次元カメラの外観を示す図である。

【図３】３次元カメラの機能構成を示すブロック図であ
る。

【図４】投光レンズ系の構成を示す模式図である。

【図５】受光のためのズームユニットの模式図である。

【図６】ビームスプリッタの模式図である。

【図７】計測用のセンサの受光波長を示すグラフであ
る。

【図８】モニタ用のカラーセンサの受光波長を示すグラ
フである。

【図９】光学ユニットの２軸調整機構の概略を説明する
ための斜視図である。

【図１０】図９に示す光学ユニットの上側部分を矢印Ｋ
Ａ方向から見た正面図である。

【図１１】図９に示す光学ユニットの上側部分を矢印Ｋ
Ｂ方向から見た右側面図である。

【図１２】図９に示す光学ユニットを矢印ＫＣ方向から
見た下面図である。

【図１３】光学ユニットの２軸調整機構の調整方法を説
明するための図である。

【図１４】計測システムにおける３次元位置の算出の原
理図である。

【図１５】出力処理回路のブロック図である。

【図１６】センサの読出し範囲を示す図である。

【図１７】３次元カメラにおけるデータの流れを示す図
である。

【図１８】ホストにおけるデータの流れを示す図であ
る。

【図１９】光学系の各点と物体との関係を示す図であ
る。

【図２０】スリット光投影法の概要を示す図である。

【図２１】スリット光投影法による計測の原理を説明す
るための図である。

【符号の説明】

２３次元カメラ（３次元入力カメラ）４０光学系（投光装置）５０光学系（受光装置）ＡＸ１第１回転軸ＡＸ２第２回転軸Ｕスリット光（検出光）Ｑ物体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０６Ｔ 1/00 ３１５Ｇ０６Ｔ 1/00 ４００Ｍ４００Ｇ０１Ｂ 11/24 Ｋ (56)参考文献特開平９−14955（ＪＰ，Ａ) 特開平７−12555（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01C 3/06 G03B 35/10 G03B 35/18 G06T 1/00 315 G06T 1/00 400

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】検出光を照射して物体を光学的に走査する
ための投光装置と、前記投光装置とは所定の間隔をおい
て設けられ前記物体で反射した前記検出光を受光する受
光装置とを有してなる３次元入力カメラであって、前記投光装置と受光装置とが、前記受光装置の光軸に沿
う方向の第１回転軸、及び前記第１回転軸に垂直な方向
の第２回転軸をそれぞれ中心として、互いに相対的に回
転調整が可能に取り付けられてなる、ことを特徴とする３次元入力カメラ。